Algoritmo Nazionale per il GSM

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1 Algoritmo Nazionale per il GSM

2 Storia (1) Esistono numerosi metodi per la pianificazione e la copertura dei sistemi di telefonia cellulare. Ogni operatore sceglie quello che ritiene più opportuno anche in base all esperienza. L Algoritmo Nazionale è frutto di un azione condivisa tra gli operatori: è utilizzato per certificare le coperture in Italia; deve essere un algoritmo chiaro e trasparente dato che viene utilizzato esternamente a organizzazioni/operatori.

3 Storia (2) Le convenzioni tra Ministero delle Poste e Telecomunicazioni e i gestori del servizio radiomobile GSM (OPI e TIM) furono pubblicate sulla Gazzetta ufficiale del 31/01/1995: La società dovrà dare inizio al servizio entro 18 mesi dal rilascio della concessione, assicurando la copertura di almeno il 40% del territorio nazionale e comunque della totalità dei capoluogo di regione Per iniziare la fornitura del servizio le società hanno fornito al Ministero P.T. lo stato di copertura, che questi doveva verificare Algoritmo Nazionale.

4 Storia (3) La prima fase è stata effettuata tramite lettura ottica, con mezzi informatici, delle carte geografiche con l indicazione della zona coperta. Per le successive percentuali di copertura (50% e 70%) il Ministero P.T. ha deciso di ricorrere ad uno strumento più adeguato. Venne istituito presso l ISPT un Gruppo di Lavoro per la definizione di un modello di predizione nazionale (OPI, TIM, Fondazione Ugo Bordoni e successivamente Wind).

5 Pianificazione di un sistema radiomobile (1) ELENCO SITI CON POSIZIONE GEOGRAFICA CARATTERISTICHE TERRITORIALI CARATTERISTICHE RADIO BS ALGORITMO DI COPERTURA COPERTURE EM VERIFICA PRESTAZIONI CON SIMULAZIONI VALUTAZIONE BEST SERVER VALUTAZIONE C/I MATRICE INTERFERENZA ASSEGNAZIONE FREQUENZE

6 Pianificazione di un sistema radiomobile (2) Caratteristiche radio delle BS Posizione delle BS Morfologia del territorio Caratteristiche EM Valutazione delle perdite di propagazione Campo EM per ogni elemento di territorio (area di copertura)

7 Studio del modello (1) Per la stesura del modello si sono presi come riferimento le Raccolte dell ITU-R e le specifiche dell ETSI. OPI e TIM hanno poi compiuto diverse campagne di misura per acquisire indicazioni operative sull algoritmo. Applicando sia l Algoritmo Nazionale sia algoritmi proprietari degli operatori alle basi di dati, la differenza nei valori di copertura risultò molto piccola. causa di variazioni consistenti dei risultati sono la completezza e l accuratezza delle basi di dati.

8 Studio del modello (2) Basi di dati: file contenenti informazioni (in forma numerica) sulle caratteristiche orografiche e morfologiche del territorio e i fattori correttivi associati al modello utilizzato. Ciascuna società aveva un suo database e aveva fatto le sue scelte ambientali e di uso del suolo. È proprio in queste classi morfologiche in cui è stato suddiviso il territorio che si ha una differenza sostanziale tra Algoritmo Nazionale e algoritmo privato (a parità di database). Vanno concordate delle opportune definizioni.

9 Definizioni Area di copertura e relativi parametri per quanto riguarda le applicazioni ai sistemi radiomobili cellulari. Struttura di base del modello di calcolo utilizzato nella previsione del valore dell intensità di campo. Metodologia di valutazione delle perdite per diffrazione dovute alla presenza di ostacoli lungo il cammino di propagazione (cioè all orografia del terreno). Diverse tipologie ambientali del territorio nazionale (dette classi morfologiche o clutter ambientali) e relativi coefficienti correttivi da utilizzare nel modello. In questo caso non si è dovuto modificare il modello per applicarlo a 1800 MHz, ma i fattori correttivi vanno riverificati, essendo la loro validità testata solo per 900 MHz (GSM e TACS).

10 Tipi di Algoritmo Esistono due tipologie fondamentali: 1. Algoritmi di verifica e progetto preliminare: a questi appartiene l Algoritmo Nazionale; forniscono indicazioni globali (area coperta da un certo numero di BS o, viceversa, numero di BS necessario per la copertura). Non interessa che abbiano una precisione elevata sui valori relativi ad una singola cella, ma che l errore sull intera area sia non polarizzato. 2. Algoritmi di progetto dettagliato: Sono più precisi, in quanto la precisione va massimizzata per la singola area di copertura, ma per ottenere tale precisione è necessario effettuare un riallineamento dei parametri iniziali, tramite dati sperimentali ottenuti da misure sul territorio. Tale operazione, di tipo empirico, non è presente nel tipo 1, i cui algoritmi si prestano così ad una verifica imparziale dei risultati.

11 Modello Nazionale Pertanto, in base a quanto detto, l Algoritmo Nazionale: è un algoritmo di calcolo per la previsione dell intensità di campo EM; è un algoritmo di verifica e non necessita di calibrazioni o aggiustamenti basati su misure; minimizza l errore percentuale rispetto all intera area considerata, non alla singola stazione radiobase; I parametri che influenzano il campo EM in un punto sono: distanza altezza antenna fissa e mobile frequenza parametri ambientali, tra cui: orografia densità di edificazione vegetazione

12 Algoritmo - Area di copertura (1) Limitandosi ad una sola BS, l area di copertura ad essa associata è la zona geografica all interno della quale è possibile instaurare una comunicazione bidirezionale con le specifiche di qualità richieste. La condizione necessaria perché ciò sia valido è che siano contemporaneamente valide le due seguenti espressioni: P P BS MS " A " A TOT TOT + G + G MS BS!! S S MS BS ove P BS è l EIRP della BS, P MS la potenza trasmessa dalla MS, S BS e S MS le sensibilità di BS e MS rispettivamente e G BS e G MS i guadagni (di antenna della stazione radiobase e del mobile).

13 Algoritmo - Area di copertura (2) ETSI GSM 03.30: si considera coperta un area se il valore della componente lentamente variabile del segnale al suo interno supera la sensibilità del ricevitore nel 90% dell area stessa. L area di copertura del sistema radiomobile è poi data dall unione, in senso insiemistico, di tutte le aree di copertura delle BS installate sul territorio in analisi.

14 Algoritmo Struttura di base Il calcolo avviene considerando il piano verticale tra trasmettitore e ricevitore. L attenuazione tra antenne isotrope si riconduce a tre diversi contributi: A = A + A! TOT BASE DIFF F AMB in cui: A BASE è l attenuazione di spazio libero; A DIFF quella dovuta alle perdite di diffrazione introdotte dagli ostacoli; F AMB è la correzione da apportare per considerare le differenze tra ambiente di riferimento e ambiente del quale si calcola l attenuazione (Fattore Correttivo Ambientale).

15 Algoritmo Attenuazione di spazio libero (1) Per il calcolo di A BASE si utilizza la formula di Hata come proposta nella Raccomandazione ITU-R PN La formula fornisce valori che possono essere considerati rappresentativi dei valori mediani di campo prevedibili entro le aree elementari. L area di copertura viene suddivisa in pixel elementari (250 m di lato) e si considera il valore mediano di ognuno di questi, valutando se supera o meno la soglia prestabilita. A BASE = log ( f )! log( hebs)! a( hm ) n ( h ) log d [ db [ 44.9! 6.55log ] ( ) ] ebs + Università degli Informatica Studi di Bologna e Sistemistica - DEIS Valeria Petrini - Propagazione M

16 Algoritmo Attenuazione di spazio libero (2) L altezza equivalente dell antenna della BS è pari a (COST 207): h ebs = $ h! # h! " h bs bs om + h, ob % h ob % h, om, h h ob ob h om > h & h om > h om ob & h ob + h bs + h bs Mentre a(h m ) è un fattore correttivo per l altezza del terminale mobile rispetto al terreno (trascurabile per valori di alcuni metri) e n è dato da: n = %' 1, d " 20km & (' 1 + ( # 10 $4 # f # 10 $3 # h ebs )# log( d / 20) [ ] 0.8, 20km < d " 35km!

17 Algoritmo Attenuazione da diffrazione (1) Si estraggono gli ostacoli dal profilo altimetrico (ricavato da un database territoriale) e si correggono i valori ottenuti per considerare la curvatura terrestre. Si considera un raggio terrestre equivalente di 8495 km (k=4/3). Il calcolo procede secondo il metodo della corda tesa (Raccomandazione ITU-R PN.526-3) leggermente modificato: si identificano i punti del profilo toccati dalla corda tesa ideale; si riduce il numero di ostacoli raggruppando quelli separati da non più di 500 m e sostituendoli con un ostacolo equivalente; se il numero di ostacoli è superiore a 5 si opera una ulteriore riduzione trascurando quelli con la minore intercetta rispetto al sottocammino individuato dagli ostacoli precedente e successivo.

18 Algoritmo Attenuazione da diffrazione (2) A questo punto si procede col calcolo dell attenuazione con il metodo di Epstein-Peterson (ITU-R PN.526-3). Ogni ostacolo è considerato perfettamente assorbente e la sua altezza è quella ricavata dal database (indipendentemente dalla morfologia relativa). Al valore ottenuto si sottrae un fattore correttivo in relazione al numero di ostacoli residui dopo aver applicato la corda tesa.

19 Algoritmo Fattore Correttivo Ambientale (1) La valutazione di F AMB è molto delicata ed è la principale causa di errori nella previsione del valore mediano di campo EM. Per effettuare il calcolo si fa ricorso a banche dati morfologiche, che contengono informazioni sull utilizzo del suolo: nei casi più semplici viene memorizzata la percentuale di area edificata in ciascun elemento di territorio; il vantaggio di tale approccio, oltre alla semplicità, è la possibilità di definire un fattore correttivo che vari con continuità in funzione della densità di edificato; altre banche hanno informazioni più articolate e dettagliate, come zone con vegetazione ad alto fusto, acque interne, etc.; sulla base di tali informazioni vengono definite un certo numero di classi morfologiche, a ciascuna delle quali corrisponde un proprio fattore correttivo. In tal caso la discretizzazione operata causa delle discontinuità nei valori di campo previsto, laddove si incontrano zone di classi morfologiche diverse.

20 Algoritmo Fattore Correttivo Ambientale (2) Le classi morfologiche devono descrivere correttamente e in modo esaustivo le diverse tipologie di ambiente presenti nel territorio: va ridotta al minimo l arbitrarietà di associazione di una porzione di territorio ad una certa classe; lo si ottiene descrivendo le tipologie ambientali tramite dei parametri di rapida valutazione; la caratterizzazione di un elemento di territorio può risentire della dimensione stabilita del pixel.

21 Esempio di classi morfologiche ITU-R PN. 1058: definisce un insieme di categorie di uso comune nei vari Paesi e i relativi parametri aggiuntivi da utilizzare per caratterizzare in modo dettagliato l area. Le categorie indicate nella Raccomandazione sono: urbano urbano denso industriale suburbano suburbano denso centro di un villaggio conifere alberi misti aree coltivate sparso (senza caratteristiche particolari) pianure fangose acqua di mare acqua dolce I parametri da caratterizzare sono altezza degli edifici (media e massima), degli alberi e le relative densità sul territorio considerato.

22 Algoritmo - Schema a blocchi Input database altimetrico Accesso database altimetrico Accesso database morfologico database morfologico Estrazione profilo Calcolo attenuazione di spazio libero Calcolo fattore correttivo ambientale Analisi profilo Calcolo attenuazione per diffrazione Operazione ripetute per ciascuna locazione del ricevitore Calcolo campo ricevuto Calcolo area di copertura e presentazione risultati

23 Riallineamento dei risultati Riallineamento basato sull algoritmo: interviene sull algoritmo di previsione moltiplicando i singoli termini per dei coefficienti che vengono tarati in modo da ridurre il valor medio dell errore o l errore quadratico medio; richiede che si calcoli di nuovo la copertura con i nuovi parametri, ma non necessita di misure sull intero territorio. A TOT = ABASE! C1 + ADIFF! C2 " FAMB! C3 Riallineamento basato sulle coperture calcolate: è possibile adattare i valori previsti alle misure effettuate, minimizzando gli scostamenti esistenti; richiede necessariamente misure estese a tutta l area interessata.

24 Algoritmo Precisione (1) È condizionata dalla risoluzione (pixel 250 m x 250 m) e dalla precisione del database. La discretizzazione del territorio deve possedere scostamenti tra dati reali e dati memorizzati (sempre considerando i pixel elementi di territorio) tali che: punti con " q > 250m valor medio " q valor medio " q = 0% < 12m < 18m punti con " q < 40m! > 60% punti con " q > 95m! < 1%

25 Algoritmo Precisione (2) Per la precisione in uscita, invece, si può dire che l errore quadratico medio atteso tra valori previsti e valori reali, con un numero limitato di tipologie ambientali può giungere fino a circa 10 db. Per ridurre questo valore sarebbe necessario dare descrizioni morfologiche più dettagliate, con una conseguente maggiore complessità del database. Si tenga presente comunque che l errore medio delle previsioni tende statisticamente ad annullarsi. Ciò comporta che lo scostamento tra l area di copertura prevista e quella reale potrà essere significativo solo per una BS, ma tende ad annullarsi al crescere del numero di trasmettitori (ovvero del numero di osservazioni effettuate). In particolare se le osservazioni sono n, l incertezza si riduce proporzionalmente a n 2.

26 Principali cause d errore nella previsione Errori nelle basi di dati territoriali. Errori nell algoritmo di previsione: approssimazione bidimensionale curve di propagazione inadeguate discretizzazione del profilo inadeguatezza degli algoritmi per il calcolo della diffrazione nessun uso delle informazioni morfologiche lungo il percorso discretizzazione delle classi morfologiche Errori nella descrizione delle caratteristiche delle antenne.